沿空留巷技術(shù)的探討與應(yīng)用

1、緩傾斜煤層炮采工作面沿空留巷技術(shù)的探討與應(yīng)用 摘要：介紹了本礦在緩傾斜炮采工作面采用砌筑砰石墻和留小護(hù)巷煤柱兩種方式實(shí)行沿 空留巷的工程實(shí)踐。沿空留巷技術(shù)能夠減少巷道工程量， 緩解采掘接替緊張的矛盾，提高煤 炭回收率，具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。為類似條件的煤礦沿空留巷提供了有益的借鑒。 關(guān)鍵詞：緩傾斜煤層 炮采 沿空留巷 沿空留巷是在工作面后方沿采空區(qū)邊界維護(hù)巷道。沿空留巷能合理開發(fā)煤 炭資源、提高煤炭資源采出率，減少巷道掘進(jìn)量、緩解采掘接替矛盾，有利于礦 井安全生產(chǎn)和提高礦井技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。因此，沿空留巷技術(shù)受到研究部門和生產(chǎn) 部門的高度重視。上世紀(jì) 60年代英國、德國開始采用。這些發(fā)達(dá)國家非常

2、 重視這種一次性能源的開采。分別采用前進(jìn)式和后退式的工作面沿空留巷 方法以實(shí)現(xiàn)無煤柱開采?，F(xiàn)在基本普及無煤柱開采。國外目前主要以無機(jī) 有機(jī)混合結(jié)構(gòu)形式結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)骨架實(shí)施沿空留巷隔墻。我國上世紀(jì) 70年代 引進(jìn)使用，那時(shí)候因?yàn)榻?jīng)濟(jì)基礎(chǔ)等因素影響，所采用的方法都沒有廣泛適 應(yīng)性。后期出現(xiàn)的“高水材料”成本過高、強(qiáng)度和耐久性不足、特別是沒 有掌握礦山壓力規(guī)律，從根本上扭轉(zhuǎn)巷道維護(hù)困難的局面而沒有得到推廣。 湖南華潤煤業(yè)華潤煤業(yè)唐洞煤礦 *在開采實(shí)踐中，探討應(yīng)用了沿空留巷技 術(shù)，并取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。 1、沿空留巷理論簡述 沿空留巷技術(shù)是人們對采場礦壓和巖移進(jìn)行了大量研究后的應(yīng)用結(jié)果， 人們對采

3、場礦壓和巖移從各個(gè)方面進(jìn)行了研究，提出了十余種假說，這些 理論從不同方面解決了現(xiàn)場問題，比較一致的將采場進(jìn)行了區(qū)帶劃分。采 場地圍巖從底板到地表，按照各部分巖體移動規(guī)律的特點(diǎn)，劃分為四個(gè)區(qū)， 三個(gè)帶 （如圖1所示） 。沿空留巷技術(shù)充分利用應(yīng)力降低區(qū)，減輕礦壓對 巷道的影響。 1.1、各個(gè)區(qū)的基本特點(diǎn) 在橫的方面上，按照巖移、應(yīng)力、礦壓的特點(diǎn)，整個(gè)采場圍巖可劃分為 四個(gè)區(qū)域。 1.1.1、 彈性區(qū)： 巖體處丁原巖應(yīng)力場里，垂直方向上的應(yīng)力 6 y 丫 .H ,其中T為巖體 平均容重，H為煤層埋深度；其礦壓 U接近等丁一個(gè)常量；巖體主要表現(xiàn)為 彈性性質(zhì)。這個(gè)區(qū)域受到采動影響很小。 1.1.2、 塑

4、性區(qū)： 巖體處丁愛采動影響的應(yīng)力場里， 受到集中應(yīng)力作用， 垂直方向上的應(yīng) 力6y, 一股可升高 2 5倍，礦壓U是三維空間(x,y,z )和時(shí)間的函數(shù)。 這個(gè)區(qū)域里的巖體受到高應(yīng)力和高礦壓的作用，發(fā)生以塑性變形為主的變 形；其中水平方向的變形大丁垂直方向上的變形。巖體由丁塑性變形，還 會產(chǎn)生許多肉眼看不到的滑移面，其形狀和密度是巖體，應(yīng)力場，采掘生 產(chǎn)因素綜合作用的結(jié)果，是一種十分重要的弱面。 1.1.3、 皎接拱梁區(qū)： 這個(gè)區(qū)域位丁控頂區(qū)斜上方不大的一個(gè)范圍里。 這個(gè)區(qū)域的主要特點(diǎn)是 破斷巖塊能夠依靠觸點(diǎn)上的擠壓力和摩擦力，相互皎接起來，形成三皎供 式平衡。其平衡條件和失穩(wěn)，這個(gè)區(qū)域里的巖

5、塊，都位丁巖層下沉曲線的 拐點(diǎn)附近，各個(gè)不同巖層之間離釵接拱梁區(qū) (A)冒落帶 (2)塑性區(qū) 性 妄 U A=U m； B 應(yīng)力升高也 原巖應(yīng)力區(qū) UA常量 彈 U B=U max 應(yīng)力降低區(qū) 穩(wěn)壓區(qū) UA常量 礦壓 U=Ug -y z) t 圖1采場巖移與礦壓的區(qū)帶劃分示意圖 壓(-)彎曲下沉帶 (|T)S_B 層現(xiàn)象最嚴(yán)重。這個(gè)區(qū)域應(yīng)力最低，但礦 壓的絕對值都很大，巖體在塑性區(qū)域已出現(xiàn)許多滑移面，強(qiáng)度大大降低， 到這個(gè)區(qū)域里乂受到很大的礦壓作用，因此破壞更為嚴(yán)重。 1.1.4壓縮下沉區(qū)： 這個(gè)區(qū)域位于巖層下沉曲線拐點(diǎn)巖塊以后的范圍里， 主要特點(diǎn)是被開采 破壞了的巖體，在重力作用下受到壓縮，

6、由采動產(chǎn)生的裂縫開始閉合，主 要作下沉運(yùn)動。在這個(gè)區(qū)域里，離開采面的距離愈遠(yuǎn)，巖體受到的應(yīng)力愈 大，而礦壓 U愈??；所以，離采面距離逾遠(yuǎn)，巖體下沉的速度愈??；當(dāng)應(yīng) 力恢復(fù)到原口岸巖應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，礦壓趨近一個(gè)常量，下沉速度變?yōu)?0,巖體 被壓實(shí)。 1.2、各個(gè)帶的基本特點(diǎn) 由下向上，直到地表，采空區(qū)的圍巖可劃分成三個(gè)帶：冒落帶、裂隙帶 和彎曲下沉帶。 1.2.1、 冒落帶： 冒落帶通常是由偽頂構(gòu)成的，主要特點(diǎn)是在控頂區(qū)后面巖層受到最嚴(yán)重 破壞，破碎巖塊成雜亂無意排歹0,或者雖成層排歹0,但巖塊之間無水平力 聯(lián)系，不能形成三皎拱結(jié)構(gòu)，同時(shí)碎脹系數(shù)最大。冒落帶對裂隙帶起支撐 作用，具有散體性質(zhì)。 1.

7、2.2、 裂隙帶： 通常由老頂和老頂上面部分分巖層構(gòu)成。 主要特點(diǎn)：在絞接拱巖梁區(qū)域 里，能形成三皎拱結(jié)構(gòu)，當(dāng)自身能平衡時(shí)，保護(hù)控頂區(qū)只有失穩(wěn)時(shí)，才對 控頂區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)烈的來壓影響。 1.2.3、 彎曲下沉帶： 位于裂隙帶之上的巖層。主要特點(diǎn)，巖層只發(fā)生塑性彎曲下沉，在下沉 曲線拐點(diǎn)附近，雖出現(xiàn)少數(shù)裂隙和離層，但導(dǎo)水，透氣性極差。巖層下沉 曲線非常平緩。 2、沿空留巷工程實(shí)踐 2. 1、工程概況 2.1.1、 礦井概況 華潤煤業(yè)唐洞煤礦礦 井開拓方式為反向穿層斜井開拓， 井口標(biāo)高+ 150m通風(fēng)方式為中央邊界式。礦井設(shè)計(jì)能力為 300kt/a ,核定生產(chǎn)能力為 300kt/a。井筒落底至-200m

8、水平，然后以一對暗斜井延深至二水平一 -450m 水平。礦井共劃分為二個(gè)水平開采。井田主要含煤地層為中生界三迭系上 三迭統(tǒng)楊梅瓏組，共含一、二、三、付三、四五個(gè)煤層，主要開采二煤及 四煤層。煤層屆低沼氣煤層，絕對瓦斯涌出量 0.59m3/ min ,相對瓦斯涌出 量1.0m3/ t日。煤層無自燃現(xiàn)象，但煤塵有爆炸危險(xiǎn)，煤塵爆炸指數(shù)：二 煤28.71%,四煤24.69%，均超過了 15%,屆易爆煤層。 2.1.2、 工作面概況 八一礦井在21414及上2244工作面采有了沿空留巷技術(shù)， 21414工作 面位于上21采區(qū)，開采四煤層，工作面斜長 80m，對應(yīng)地面標(biāo)高+ 150米 + 200米，工作

9、面上順槽（回風(fēng)巷）水平標(biāo)高為 399m；下順槽（進(jìn)風(fēng)巷） 水平標(biāo)高為375m回采工作面到地表的垂直深度為 525g 599m。工作面 煤層平均厚度 1.8m,平均傾角 24 ,平均傾斜長 60作21414工作面的接 替工作面為21416工作面，兩工作面是 21采區(qū)的最后兩個(gè)緊鄰的同煤層工 作面，考慮接替的原因，采用了沿空留巷技術(shù)，將 21414工作面下順槽留 作了 21416工作面的上順槽。 上2244工作面位于上 22采區(qū)，背斜的東西兩翼，分為上、下兩個(gè)塊 段，開采四煤層，上、下塊段共用一條風(fēng)巷。工作面對應(yīng)地面標(biāo)高+ 150m + 200m,工作面上順槽（回風(fēng)巷）水平標(biāo)高為 358m；下順槽

10、（進(jìn)風(fēng)巷） 水平標(biāo)高為361m -357m，回采工作面到地表的垂直深度為 507m 561m= 工作面煤層平均厚度 2.0m,平均傾角14。，上塊段平均傾斜長 120m,下塊 段平均斜長70作上2244工作面上、下塊段開采采用了沿空留巷技術(shù)，將 上塊段上順槽留作了下塊段的上順槽。 四煤老頂為細(xì)沙巖，厚度 3.2米，灰色石英細(xì)沙巖，硅質(zhì)膠結(jié)，致密堅(jiān) 硬。直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度4.03米，深灰色，貝殼狀斷口，含植物化石 及菱鐵質(zhì)結(jié)核。無偽頂。直接底為沙質(zhì)泥巖，厚度 2.10米深灰色、夾菱鐵 質(zhì)結(jié)核，含植物根部化石碎屑。老底為灰黑色，含菱鐵質(zhì)結(jié)核，石英細(xì)脈。 根據(jù)實(shí)際測壓資料，四煤工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)

11、律為： 工作面的初次垮落 步距為11 20m左右，垮落前支柱最大工作阻力為 161.7KN,活柱最大壓縮 量13mm初次來壓步距為 18 22m,頂板下沉量為 100 200mm 147mm/h, 支柱工作阻力為 123.2KN。周期來壓步距為 10 15門 頂板下沉量為 60 100mm 55mm/h,支柱工作阻力為 120.5KN。超前壓力影響范圍 12 20m, 最強(qiáng)烈為8 12m= 2. 2、沿空留巷方式確定 2.2.1、沿空留巷的型式及分析 國內(nèi)在應(yīng)用沿空留巷時(shí)，絕大多數(shù)都要設(shè)置巷旁支護(hù)。國內(nèi)應(yīng)用廣的巷旁 支護(hù)主要有：木垛巷旁1支護(hù)、密集支柱巷旁1支護(hù)、石干石帶巷旁1支護(hù)、人造砌巷旁

12、1 支護(hù)以及巷旁泵充填支護(hù)技術(shù)等，也有少數(shù)礦井嘗試用錨桿作為沿空留巷巷內(nèi)支 護(hù)。 木垛巷旁支護(hù)我國過去木垛巷旁支護(hù)應(yīng)用較廣，其形式一般是單排木垛。 木垛作為巷旁支護(hù)優(yōu)點(diǎn)：支撐面積大，穩(wěn)定性好，用以擋砰比較有效，后期支承 能力大。其缺點(diǎn)是：木材消耗量大，木垛屆于支承支架，早期支承能力太低，木 垛可縮量大，通?？梢詨嚎s到只有原始高度的 40%-50%而不能起到切斷采空區(qū) 頂板的作用。 密集支柱作為巷旁支護(hù)是指隨工作面推過之后，在采空區(qū)邊緣新架設(shè)的密 支柱，所用支柱有木支柱和金屆支柱。 密集支柱屆于中強(qiáng)度、有限可縮量的窄幅 巷支護(hù)類型。密集支柱比木垛省材，早期支撐性能好，可以進(jìn)行切頂，架設(shè)方便， 容

13、易過改變架設(shè)密度而調(diào)節(jié)其承載能力， 但密集支柱當(dāng)頂板或底板較軟時(shí)，集支 柱易于插入頂板進(jìn)行卸載，失去支撐和切頂作用，穩(wěn)定性較差。 石干石帶巷旁支護(hù)，用石干石帶作為巷旁支護(hù)是煤礦多年來一直采用的。石干石 帶屆于寬幅大可縮量、支承巷旁支護(hù)類型。砰石帶巷旁支護(hù)方式的最大的優(yōu)點(diǎn)是 它利用了本來是廢料的天然砰石作支護(hù)料，從而可以節(jié)約大量的其它支護(hù)材料和 相應(yīng)的費(fèi)用，對于頂板較穩(wěn)定的巷道，只要能隨工作面推進(jìn)及時(shí)砌帶，并保證砌 筑質(zhì)量，則沿空留下的巷道后期仍可起到較好的護(hù)巷效果。由于砰石帶壘砌不易 致密，故它在初期一般不承載，在工作面后方約20m以遠(yuǎn)阻力才逐漸上升。砰石 帶的壓縮量可達(dá)原始高度40%-60%

14、壓實(shí)后支承能力可以提高。在我國一些薄煤 層礦石干石帶的應(yīng)用仍然不少。 人造砌塊巷旁1支護(hù)。人造砌塊作為巷旁1支護(hù)，是為了節(jié)約木材、克服木垛 可縮量大和承載晚等缺點(diǎn)發(fā)展起來的。 這種支護(hù)形式的優(yōu)點(diǎn)是材料來源廣， 價(jià)格 低廉，可節(jié)約木材和金屆支護(hù)材料，承載能力較大而可縮量不大，壓縮 2%ft達(dá) 到最大載荷。其缺點(diǎn)是受載超過抗壓時(shí)砌垛（帶）呈脆性破壞，一旦發(fā)生破壞承載 能力迅速下降；此外砌垛（帶）的穩(wěn)定性較差，不宜用于高大的煤層。 巷旁泵充填支護(hù)技術(shù)。巷旁泵充填支護(hù)技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新型 巷旁支護(hù)技術(shù)，包括硬石膏力輸送充填技術(shù)和高水材料泵充填技術(shù)。 德國的硬石 膏充填材料主要由硬石膏和普通硅

15、酸鹽水泥組成。高水材料是一種新型的特種水 泥混合材料，具有用量大（水體積比可達(dá)90咖上）、固體料用量少、凝固體韌性 好等特點(diǎn)是一種理想煤礦井下巷旁充填材料?？苫旧蠈?shí)現(xiàn)了機(jī)械化作業(yè),大大 輕工人體力勞動，提高工作的安全性。但目前由于該材料價(jià)格相對比較高， 加之 充填時(shí)必需使用抗靜電、阻燃、增強(qiáng)塑料充填袋，費(fèi)用較高，這樣就限制了該材 料在煤礦中大批量的進(jìn)行巷旁充填應(yīng)用。 2.2.2、沿空留巷方式的確定 根據(jù)對上述已有的沿空留巷型式分析，結(jié)合八一礦井工作面的實(shí)際條 件及勞動組合情況，22414工作面下順槽采用砌筑砰墻和在下順槽抬雙路抬 棚的方式，砰石墻的主要作用是擋住采面采空區(qū)的砰石進(jìn)入下順槽并承

16、受 一定的頂板壓力,下順槽的雙路抬棚的主要作用是承受頂板靜壓及開采動 壓。 上2244工作面由于煤層傾角較小，煤層穩(wěn)定，采用留設(shè) 3 5m護(hù)巷 煤柱，順槽內(nèi)抬雙路棚的方式，護(hù)巷煤柱的作用類似于巷旁充填，主要起 承壓作用，雙抬棚主要起承受動壓作用。護(hù)巷煤柱下塊段開采時(shí)回收， 2. 3、沿空留巷實(shí)踐 2.3.1、 沿空留巷工藝 22414及上2244工作面均炮采工作面，回采工作面采用打眼放炮方式 落煤，可彎曲刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤。 DZ型單體液壓支柱配 兀型鋼梁支護(hù)頂板。 采用“三三控頂”方式，最大控頂距離 2.8m，最小控頂距離 2.8m,采用全 部陷落法管理頂板。采用多循環(huán)作業(yè)方式，兩班采煤，一班整

17、修。上、下 順槽都使用方礦用 11號工字鋼支護(hù)，梯形斷面。 沿空留巷工藝;下順槽超前支護(hù) t 采煤放頂 t 砌筑砰石墻（留設(shè)護(hù)巷 煤柱）t 下順槽采后修理。 沿空留巷后，21414下順槽頂?shù)装逑鄬σ平繛?0.3 0.6m,相對壓縮 率為15% 31% 兩幫相對移近量為 0.3 0.5m，相對移近率 15% 25% 上 2244上塊段護(hù)巷煤柱支撐頂板的效果較好，頂?shù)装宓南鄬σ平繛?0.2 0.4m，相對移近率10% 21%,兩幫相對移近量較小。 2.3.2、 主要技術(shù)措施 在開采前方實(shí)行超前支護(hù)，支護(hù)抬棚棚梁使用木子，棚腿使用單體液 壓支柱，超前回采工作面 30m以上。單體液壓支柱支護(hù)在原掘

18、進(jìn)工字鋼梁 的下方。超前支護(hù)的單體液壓支柱的初撐力達(dá) 60KN以上。 砌筑砰石墻滯后回采面切頂線 3 5m砰石墻下寬 0.8m,上寬0.6m, 砰石盡量采用塊徑 0.2m以上的砰石，砌筑時(shí)盡量接頂嚴(yán)實(shí)。見圖 2。 留設(shè)護(hù)巷煤柱時(shí)，煤柱傾向?qū)挾?3 5m走向每隔20m與順槽連通。禁 止煤柱傾向?qū)挾刃∮?3m使煤柱失去支撐力。不允許煤柱寬度大于 5m增加 了煤柱量。見圖 3。 圖2 21414沿空留巷示意圖 圖3上2244沿空留巷示意圖 下順槽在回采工作面推進(jìn)后，要及時(shí)進(jìn)行修理，下順槽的頂?shù)装逑鄬?移近量修理滯后采面切頂線 30 50作 替換原超前抬棚木梁，巷道臥底，拔 正原掘進(jìn)支護(hù)棚腿。修理后的下順槽高度不小丁 1.8m,腰寬不小丁 2.0m。 3、主要術(shù)技效果 華潤煤業(yè)唐洞煤礦積極推廣探討沿空留巷技術(shù)，取得了較好的技術(shù)經(jīng) 濟(jì)效果。 1）